Pomiar temperatury jest bardzo ważny w zastosowaniach przemysłowych, dlatego też ciągły pomiar temperatury jest niezwykle istotny.
Temperaturę można mierzyć za pomocą różnych typów czujników. Wszystkie one działają w oparciu o tę samą podstawową zasadę, polegającą na podaniu temperatury na wyjściu na podstawie zmian zachodzących w ich właściwościach fizycznych na wejściu.
Ze względu na rodzaj zastosowania pomiar temperatury można podzielić na następujące części:
Metoda kontaktu
Tę metodę stosuje się, gdy ciało (którego temperaturę mierzymy) i czujnik (który mierzy temperaturę) mogą pozostawać ze sobą w kontakcie. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że jeżeli ciało i czujnik mogą pozostawać ze sobą w kontakcie podczas pomiaru temperatury, to stosuje się metodę kontaktową.
Metoda kontaktowa wykorzystuje trzy rodzaje termometrów (temp. inst.)
- Termometry rozszerzalnościowe
- Termometry systemowe wypełnione
- Przyrządy do pomiaru temperatury elektrycznej
Termometry rozszerzalnościowe:
W termometrach rozszerzalnościowych stosuje się urządzenia bimetaliczne, w urządzeniach bimetalicznych występują dwa różne materiały, których współczynnik rozszerzalności cieplnej jest również różny. Dlatego w urządzeniach bimetalicznych występują paski dwóch metali, które są ze sobą połączone. Po podgrzaniu jedna strona rozszerzy się bardziej niż druga, w związku z czym powstałe rozszerzenie jest przekładane na odczyt temperatury poprzez mechaniczne połączenie ze wskaźnikiem.
Zaletą tego typu urządzeń jest ich mobilność i brak konieczności podłączania do źródła zasilania.
Wadą tego typu przyrządów jest to, że nie są one tak dokładne jak inne urządzenia i nie nadają się do pomiaru temperatury.
Termometry do systemów napełnionych:
Napełniony termometr systemowy oznacza po prostu, że jest wypełniony dowolnym substytutem. Zazwyczaj występują w dwóch głównych klasyfikacjach: typu rtęciowego i typu organiczno-cieczowego. Ponieważ rtęć jest uważana za zagrożenie dla środowiska, istnieją przepisy regulujące wysyłkę tego typu urządzeń, które ją zawierają. Obecnie istnieją wypełnione termometry systemowe, które wykorzystują gaz zamiast cieczy.
Zalety tego typu urządzeń polegają na tym, że nie wymagają one żadnego zasilania elektrycznego, nie stwarzają zagrożenia wybuchem i są stabilne nawet po wielokrotnym cyklu. Wadą tego typu urządzeń jest to, że nie generują danych, które można łatwo zapisać lub przesłać, i nie wykonują pomiarów punktowych.
Elektryczne przyrządy do pomiaru temperatury:
Jak sama nazwa wskazuje
Tego typu przyrządy mierzą temperaturę za pomocą wielkości elektrycznych, takich jak napięcie, rezystancja itp. Dlatego możemy powiedzieć, że tego typu przyrządy nie są bezpośrednimi termometrami wskazującymi, jak rtęć w urządzeniach szklanych.
W większości procesów przemysłowych i laboratoryjnych punkt pomiaru jest zazwyczaj oddalony od przyrządu wskazującego lub sterującego. Może to wynikać z konieczności (np. niekorzystne środowisko) lub wygody (np. scentralizowane gromadzenie danych). Dlatego też; wymagane są urządzenia, które zamieniają temperaturę na inną formę sygnału, zwykle wielkości elektryczne. Najczęściej stosowanymi urządzeniami w tego typu przyrządach do pomiaru temperatury są (a) termopary, (b) termometry rezystancyjne i (c) termistory. Podobieństwo polega na tym, że wszystkie z nich wymagają pewnej formy kontaktu z ciałem (którego temperatura ma być mierzona), tryb kontaktu może być zanurzony lub powierzchniowy, w zależności od konstrukcji czujnika i zastosowania, w którym jest używany.
TERMOPARY:
Termopary składają się zasadniczo z termoelementu (który jest złączem dwóch różnych metali) i odpowiedniego dwużyłowego przewodu przedłużającego. Termopara działa na podstawie złącza znajdującego się w procesie, wytwarzając małe napięcie, które wzrasta wraz z temperaturą. Robi to w sposób stosunkowo stabilny i powtarzalny.
Termometr oporowy:
Termometr oporowy wykorzystuje precyzyjny rezystor, którego wartość rezystancji (Ohm) wzrasta wraz z temperaturą. RTD ma dodatni współczynnik temperaturowy. Takie zmiany są bardzo stabilne i precyzyjnie powtarzalne.
Termistory:
Termistor to półprzewodnik używany jako czujnik temperatury. Jest wytwarzany z mieszanki tlenków metali sprasowanych w kulkę, płytkę lub inny kształt. Kulka jest podgrzewana pod ciśnieniem w wysokiej temperaturze, a następnie zalewana żywicą epoksydową lub szkłem. Kulki mogą być bardzo małe, w niektórych przypadkach mniejsze niż 1 mm.
Wynikiem tego wszystkiego jest urządzenie wykrywające temperaturę, które wykazuje bardzo wyraźną nieliniową zależność rezystancji od temperatury. Rezystancja termistora maleje wraz ze wzrostem temperatury; nazywa się to ujemnym współczynnikiem temperaturowym termistora.
Termistor wykazuje bardzo duże zmiany rezystancji przy małej zmianie temperatury. Może to być od 3 do 5% na °C. To sprawia, że są bardzo wrażliwe na małe zmiany temperatury. Mogą wykrywać zmiany temperatury tak niskie jak 0,1 °C lub mniejsze. Element termistora jest znacznie mniejszy w porównaniu do czujników RTD. Czułość termistorów na zmiany temperatury i ich niewielkie rozmiary sprawiają, że idealnie nadają się do stosowania w sprzęcie medycznym.
Wady termistorów:
Ponieważ są półprzewodnikami, termistory są bardziej podatne na trwałe rozkalibrowanie w wysokich temperaturach niż RTD lub termopary. Stosowanie termistorów jest zazwyczaj ograniczone do kilkuset stopni Celsjusza, a producenci ostrzegają, że dłuższe narażenie nawet znacznie poniżej maksymalnych limitów roboczych spowoduje, że termistor wyjdzie poza określoną tolerancję.
Termistory mogą być bardzo małe, co oznacza, że będą szybko reagować na zmiany temperatury. Oznacza to również, że ich mała masa cieplna sprawia, że są szczególnie podatne na błędy samonagrzewania. Termistory są o wiele bardziej delikatne niż RTD lub termopary i muszą być ostrożnie montowane, aby uniknąć zgniecenia lub rozdzielenia wiązań.
Metoda bezkontaktowa
Tę metodę stosuje się, gdy ciało (którego temperatura ma zostać zmierzona) i czujnik (który mierzy temperaturę) nie mogą pozostawać ze sobą w kontakcie. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że jeśli ciało i czujnik nie mogą pozostawać ze sobą w kontakcie podczas pomiaru temperatury, wówczas stosuje się metodę bezkontaktową.
Najpopularniejszymi termometrami (przyrządami do pomiaru temperatury) wykorzystującymi metodę bezkontaktową są:
Czujniki podczerwieni i pirometry oraz kamery termowizyjne
Czujniki podczerwieni i pirometry:
Czujniki podczerwieni i pirometr są obecnie najpopularniejszym bezkontaktowym przyrządem do pomiaru temperatury w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ są łatwe w obsłudze i użytkowaniu, jeśli użytkownik zna zasadę działania. Czujnik podczerwieni i pirometr mierzą temperaturę obiektu bez kontaktu z ciałem, ale jak to możliwe? Odpowiedź brzmi: każdy obiekt, którego temperatura jest wyższa od zera absolutnego (-273,15 K), emituje promieniowanie. Ta emisja jest promieniowaniem cieplnym, a jej długość fali/częstotliwość zależy od temperatury. Tak więc ta właściwość emisji jest wykorzystywana, gdy temperatura ma być mierzona metodą bezkontaktową.
Termin promieniowanie podczerwone jest również używany, ponieważ długość fali większości tego promieniowania mieści się w widmie elektromagnetycznym powyżej widzialnego światła czerwonego, które mieści się w zakresie podczerwieni.
Podobnie jak w przypadku transmisji radiowej, w której emitowana energia z nadajnika jest przechwytywana przez odbiornik za pośrednictwem anteny, a następnie przekształcana w fale dźwiękowe, emitowane promieniowanie cieplne obiektu jest odbierane przez urządzenia wykrywające i przekształcane w sygnały elektryczne. W ten sposób temperatura obiektu jest mierzona za pomocą bezkontaktowych przyrządów do pomiaru temperatury.
